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水下量子必威体育官网网址通信可行性分析

作者：张贺王申涛李海涛

来源：《中国新通信》2018年第8期

引言：采用传统的超短波无线电对潜通信，潜艇应浮至近水面伸出天线对外收发电文、极

易暴露目标。量子通信优于传统水下经典通信，具有生存能力强，安全性高，效率高的特点。

本文对实现水下量子必威体育官网网址通信的可行性进行理论分析，并提出一些仍待解决的问题。

一、量子必威体育官网网址通信

与传统密码学利用数学计算的复杂度来保护信息不同，量子密码学利用微观粒子的物理学

特性保护信息。量子密码的概念建立在“海森堡测不准原理”和“量子不可克隆定理”的基础

上。线路上发生的任何窃听均可被通信双方发现。利用这一原理产生密钥，再采用“一次一密”

的方法加密原始信息，可以实现无条件安全的必威体育官网网址通信。

二、水下光通信

光波是一种电磁波，属于横波范畴，与纵波相比，横波在液体和固体中的传播效率要差得

多。因此，光在水中传播效果也就不如声音这种纵波，但考虑到必威体育官网网址性和实用性等方面原因，

声纳往往只在对潜应急通信中得以运用。也正因如此，水下光通信也显得尤为重要。

2.1海水的透射光谱特性

海水对电磁波的衰减特性如图1所示，由图可知，海水在可见光波段有较好的透射特性。

海水吸收和悬浮微粒散射是光波在水中衰减的主要原因，可以通过不同海水的特点确定不

同的发送光，从而使光量子信道达到最大效率。研究表明，400-580nm波段为海水的“蓝绿窗

口”，海水对这一波段损耗较低，因此人们利用蓝绿激光器实现对潜水下光通信。一般而言，

对于含有浮游生物的海水，绿光部分衰减系数最小，而近岸海水浮游生物含量高于远洋海水，

这一现象造成近岸海水在530-580nm波段衰减系数最小，远洋海水在480-500nm范围衰减系数

最小。由此，在光源的选取上，可以于近岸选用绿光，远洋选用蓝光。2.2海水对光子传播的

影响

海水中光束传播损耗机理与大气中传播基本相同，主要表现在：（1）吸收效应。文献[1]

研究表明，海水的吸收作用主要包括纯海水、黄色物质、浮游植物和悬浮颗粒四个方面对光波

的吸收效应。（2）散射效应。海水散射可以使光能量衰减，这一现象可以应用到量子通信单光

子源的产生。即通过调节激光源能量，使信道中单光子态稳定在10%左右，此时信道性能最佳。

（3）扰动和热晕效应。在近距离的水下激光通信中，海水扰动所造成的光强起伏可以忽略，并

且量子通信中用到弱相干光源能量较低，因此扰动和热晕效应可不作考虑。

三、水下量子通信的关键技术研究

3.1单光子信号产生技术

单光子信号，即光子数态中的单光子态，是光辐射场的最小能量单位。制备高效稳定的单

光子源是实现BB84[2]等量子必威体育官网网址通信协议的基础，是量子通信领域的研究重点。文献[3]中

指出，目前制备单光子的技术主要分为两类，一是单光子枪，二是基于弱相干光脉冲产生的准

单光子源。

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单光子枪是理想的单光子信号源，每个脉冲中只包含一个光子，但实用性还有待商榷。为

了克服单光子信号的技术缺陷，实际运用中一般采用基于激光技术的弱相干光源。所谓弱相干

光源是指将相干光源衰减到微弱的单光子量级的光源，在量子通信领域一般称为准单光子源。

单光子源在目前实现的方法是：利用激光器产生一束弱激光脉冲，再通过一个合适的衰减

器将其衰减为微弱的光量子脉冲。这种方式可操作性强，在实验中很容易实现。

3.2量子纠缠交换

单光子束由于能量微弱，无法支撑远距离传输，又因为在海水中能量的大量损失，所以水

下量子通信的中远距离传输都需要中继器保证。量子中继器的核心思想在于